JP7050334B2 - Optical RF spectrum analyzer - Google Patents
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Description
関連出願の相互参照
本出願は、参照によってその内容が本願に組み込まれる、2016年8月22日に出願されたオーストラリア特許仮出願第2016903330号からの優先権を主張するものである。
Cross-reference to related applications This application claims priority from Australian Patent Provisional Application No. 2016903330 filed on August 22, 2016, the contents of which are incorporated herein by reference.
本開示は、光RFスペクトル分析器、および入力RF信号を分析するための方法に関する。 The present disclosure relates to an optical RF spectrum analyzer and a method for analyzing an input RF signal.
電子RFシステムの機能の拡大に対する需要の増加は、マイクロ波信号を高分解能かつ広い動作帯域幅で認識することができるシステムを提供するという先例のない課題を提示する。検出されたマイクロ波信号の存在を報告し、パラメータ混合、コヒーレント光周波数コム、および誘導ブルリアン散乱を含む瞬時スペクトル活動監視を実行するために、様々なフォトニック支援型チャネル化アプローチが存在する。これらのスキームは、システムの複雑性およびコストを高める複数の光源の使用に基づく。また、既存のフォトニック支援型チャネル化受信機は、光フィルタリング帯域幅と無線周波数(RF)測定分解能との1対1の関係によって制限され、すなわち、RF測定分解能が光フィルタリング帯域幅のみに依存する。たとえば、20MHzのRF測定分解能を有するために、20MHzの3dB帯域幅を有する高選択的光フィルタを必要とし、これは非常に複雑であり、または光造形において実現することが不可能ですらある。 The increasing demand for the expansion of the functionality of electronic RF systems presents an unprecedented challenge of providing a system capable of recognizing microwave signals with high resolution and wide operating bandwidth. There are various photonic-assisted channelization approaches to report the presence of detected microwave signals and perform instantaneous spectral activity monitoring including parameter mixing, coherent optical frequency combs, and induced Brulian scattering. These schemes are based on the use of multiple light sources, which increases the complexity and cost of the system. Also, existing photonic-assisted channelized receivers are limited by the one-to-one relationship between optical filtering bandwidth and radio frequency (RF) measurement resolution, i.e., RF measurement resolution depends only on optical filtering bandwidth. do. For example, to have an RF measurement resolution of 20 MHz requires a highly selective optical filter with a 3 dB bandwidth of 20 MHz, which is very complex or even impossible to achieve in stereolithography.
この本質的な欠点は、限られた帯域幅および光フィルタの選択性によって生じる隣接した周波数成分間のスペクトル拡幅効果によってもたらされる。これは、マイクロ波信号の周波数情報を正確に保持するためのシステム性能を著しく低減させる。また、シリコンリング共振器を用いる信号処理は、小型サイズおよびCMOS製造技術との適合性によって非常に興味深いものである。フォトニック支援型チャネル化受信機のための、帯域応答および狭通過帯域(100MHz未満)を有する高選択的光フィルタを製造するために、アプローチは、臨界結合状態および結合における各間隙および各リングの寸法の正確な制御を有する多数のリングを用いる。そのような複雑な技術プロセスは、シングルチップにチャネル化受信機を統合する可能性を厳しく制限する。 This essential drawback is brought about by the spectral widening effect between adjacent frequency components caused by the limited bandwidth and the selectivity of the optical filter. This significantly reduces the system performance for accurately retaining the frequency information of the microwave signal. Also, signal processing using a silicon ring resonator is very interesting due to its small size and compatibility with CMOS manufacturing technology. To produce a highly selective optical filter with band response and narrow passband (less than 100 MHz) for photonic-assisted channelized receivers, the approach is for each gap and ring in the critical coupling state and coupling. Use a large number of rings with precise control of dimensions. Such complex technical processes severely limit the possibility of integrating channelized receivers into a single chip.
光RFスペクトル分析器は、
入力RF信号を搬送波周波数に変調するための光変調器と、
変調光信号を修正するためのスペクトル重み関数を有し、スペクトル重み関数と搬送波周波数との周波数関係を定める光スペクトル重みと、
スペクトル重み関数と搬送波周波数との周波数関係を経時的に修正するための周波数制御モジュールと、
修正された光信号を経時的に感知し、RF信号を経時的に生成するための光センサと、
RF信号に基づいてRFスペクトルを経時的に計算するための信号復元モジュールと
を備える。
Optical RF spectrum analyzer
An optical modulator for modulating the input RF signal to the carrier frequency,
An optical spectrum weight that has a spectral weighting function for modifying a modulated optical signal and determines the frequency relationship between the spectral weighting function and the carrier frequency,
A frequency control module for correcting the frequency relationship between the spectral weighting function and the carrier frequency over time,
An optical sensor for sensing the modified optical signal over time and generating an RF signal over time,
It includes a signal restoration module for calculating the RF spectrum over time based on the RF signal.
スペクトル重み関数と搬送波周波数との関係を経時的に修正し、その後、フィルタされたRF信号からRFスペクトルを経時的に計算することにより、スペクトル重みが比較的広帯域である場合にも高いスペクトル分解能が生じることが利点である。これは、製造お
よび/または動作が困難および/または高費用である、非常に狭帯域のフィルタに頼る他の方法に優る利点である。提案される方法の結果、低減された価格/複雑性および増加した堅牢性でより高いスペクトル分解能が得られる。
By modifying the relationship between the spectral weighting function and the carrier frequency over time and then calculating the RF spectrum over time from the filtered RF signal, high spectral resolution is achieved even when the spectral weights are relatively wideband. It is an advantage to occur. This is an advantage over other methods that rely on very narrowband filters, which are difficult and / or expensive to manufacture and / or operate. The proposed method results in higher spectral resolution with reduced price / complexity and increased robustness.
信号復元モジュールは、スペクトル重み関数に基づいて経時的にRF信号のデコンボリューションを実行するように構成され得る。 The signal restoration module may be configured to perform deconvolution of the RF signal over time based on the spectral weighting function.
デコンボリューションは、スペクトル重み関数の解析近似に基づいてよい。 Deconvolution may be based on an analytic approximation of the spectral weighting function.
信号復元モジュールは、RF信号の波形を周波数領域信号として経時的に用いることによって、RF信号のデコンボリューションを経時的に実行するように構成され得る。 The signal restoration module may be configured to perform deconvolution of the RF signal over time by using the waveform of the RF signal over time as a frequency domain signal.
RF信号の波形を周波数領域信号として経時的に用いることは、スペクトル重み関数と搬送波周波数との周波数関係を経時的に修正する速度に基づいて、RF信号に関連する周波数軸を経時的に生成することを備えてよい。 Using the waveform of an RF signal over time as a frequency domain signal creates a frequency axis associated with the RF signal over time based on the rate at which the frequency relationship between the spectral weighting function and the carrier frequency is modified over time. You may be prepared for that.
スペクトル重みは共振であってよい。共振はリング発振器であってよい。 The spectral weights may be resonant. The resonance may be a ring oscillator.
光変調器は、搬送波周波数においてレーザを生成するためのレーザ光源を備えてよい。周波数制御モジュールは、搬送波周波数を変えることによって、スペクトル重み関数と搬送波周波数との関係を修正するためのものであってよい。搬送波周波数を変えることは、周波数範囲にわたる掃引を実行することを備えてよい。 The light modulator may include a laser light source for producing a laser at carrier frequency. The frequency control module may be for modifying the relationship between the spectral weighting function and the carrier frequency by changing the carrier frequency. Changing the carrier frequency may comprise performing a sweep over a frequency range.
スペクトル重み関数と搬送波周波数との関係を経時的に修正することは、単位時間ごとの変化速度に基づいてよく、信号復元モジュールは、変化速度に基づいてRFスペクトルを計算するためのものであってよい。 Modifying the relationship between the spectral weighting function and the carrier frequency over time may be based on the rate of change per unit time, and the signal recovery module is for calculating the RF spectrum based on the rate of change. good.
入力RF信号を分析するための方法は、
入力RF信号を光搬送波周波数に変調し、変調光信号を生成することと、
スペクトル重み関数を有し、スペクトル重み関数と搬送波周波数との周波数関係を定めるスペクトル重みを付与することによって、変調光信号を修正することと、
スペクトル重み関数と搬送波周波数との関係を経時的に修正し、修正された光信号を経時的に生成することと、
修正された光信号を経時的に感知し、RF信号を経時的に生成することと、
RF信号に基づいて入力RF信号のスペクトルを経時的に計算することと
を備える。
The method for analyzing the input RF signal is
Modulating the input RF signal to the optical carrier frequency to generate a modulated optical signal,
Modifying a modulated optical signal by having a spectral weighting function and assigning a spectral weighting that determines the frequency relationship between the spectral weighting function and the carrier frequency.
Correcting the relationship between the spectral weighting function and the carrier frequency over time to generate the corrected optical signal over time,
Sensing the modified optical signal over time and generating an RF signal over time,
It comprises calculating the spectrum of the input RF signal over time based on the RF signal.
入力RF信号のスペクトルを計算することは、スペクトル重み関数に基づいてRF信号のデコンボリューションを経時的に実行することを備えてよい。 Computing the spectrum of the input RF signal may comprise performing deconvolution of the RF signal over time based on a spectral weighting function.
デコンボリューションは、スペクトル重み関数の解析近似に基づいてよい。 Deconvolution may be based on an analytic approximation of the spectral weighting function.
RF信号のデコンボリューションを経時的に実行することは、RF信号の波形を周波数領域信号として用いることを備えてよい。 Performing deconvolution of the RF signal over time may comprise using the waveform of the RF signal as a frequency domain signal.
RF信号の波形を周波数領域信号として用いることは、スペクトル重み関数と搬送波周波数との周波数関係を経時的に修正する速度に基づいて、RF信号に関連する周波数軸を経時的に生成することを備えてよい。 Using the waveform of an RF signal as a frequency domain signal comprises generating a frequency axis associated with the RF signal over time based on the rate at which the frequency relationship between the spectral weighting function and the carrier frequency is modified over time. It's okay.
スペクトル重み関数と搬送波周波数との関係を修正することは、レーザ光源の搬送波周
波数を変えることを備えてよい。
Modifying the relationship between the spectral weighting function and the carrier frequency may comprise changing the carrier frequency of the laser source.
搬送波周波数を変えることは、周波数範囲にわたる掃引を実行することを備えてよい。 Changing the carrier frequency may comprise performing a sweep over a frequency range.
スペクトル重み関数と搬送波周波数との関係を経時的に修正することは、単位時間ごとの変化速度に基づいてよく、RFスペクトルを計算することは、変化速度に基づく。 Modifying the relationship between the spectral weighting function and the carrier frequency over time may be based on the rate of change per unit time, and calculating the RF spectrum may be based on the rate of change.
RF信号分析器を制御するための方法であって、
光変調器による入力RF信号の搬送波周波数への変調を制御するための変調器制御信号を生成し、変調された光信号を修正するためのスペクトル重みを特徴付けるスペクトル重み関数と搬送波周波数との関係を経時的に修正することと、
光スペクトル重みによって生成された、修正された信号を示す感知RF信号を経時的に受信することと、
RF信号に基づいて入力RF信号のスペクトルを経時的に計算することと
を備える。
A method for controlling RF signal analyzers,
The relationship between the carrier frequency and the spectral weighting function that generates the modulator control signal to control the modulation of the input RF signal to the carrier frequency by the optical modulator and characterizes the spectral weights for modifying the modulated optical signal. To correct over time and
Receiving a sensed RF signal indicating the modified signal generated by the optical spectrum weights over time,
It comprises calculating the spectrum of the input RF signal over time based on the RF signal.
以下の図を参照して例が説明される。 An example is illustrated with reference to the following figure.
本開示は、RF測定分解能と光帯域幅との1対1の関係を打破し、設計および製造の複雑性を高めることなく高RF測定分解能を提供し、マイクロ波信号の振幅および周波数情
報の両方を復元し、オンチップRF周波数測定システムを可能にする技術を提供するものである。
The present disclosure breaks the one-to-one relationship between RF measurement resolution and optical bandwidth, provides high RF measurement resolution without increasing design and manufacturing complexity, and provides both amplitude and frequency information for microwave signals. It provides the technology to restore and enable on-chip RF frequency measurement systems.
図1は、信号入力101、変調器102、周波数制御103、たとえばフィルタなどのスペクトル重み104、オプティカルフィールド積分器105、および信号復元モジュール106を備えるRFスペクトル分析器100を示す。
FIG. 1 shows an
図2は、RFスペクトル分析のための方法200を示し、図3は、RFスペクトル分析のための信号フロー300を示す。図1、図2、および図3における参照番号は、参照番号101、201、および301が互いに対応するという意味で、互いに対応する。
FIG. 2 shows a
使用時、信号入力101は、入力信号301を受信201し、変調器102は、光側波帯を有する変調信号302を生成202する。周波数制御103は、周波数信号302を時間領域303にマッピング203し、スペクトル重み104は、時間領域信号にスペクトル重み304を付与204する。最終的に、周波数積分器105は、積算時間信号305を生成するために信号を積算205し、信号復元モジュール106は、入力信号301のRFスペクトルを計算するために信号を復元206する。
At the time of use, the
入力101は、スペクトル的に限られた(狭帯域)入力信号を受信するアンテナであってよい。入力信号301の周波数スペクトルにおいて、狭帯域信号は310に示される。説明の簡略化のため、狭帯域信号310は、中心周波数311に関して対称であるものとする。言い換えると、狭帯域信号310の中央は、周波数軸の起点から中心周波数311だけ離間する。ただし、入力信号は任意のスペクトルを有してよく、多くの場合、入力スペクトルは未知であることに留意する。
The
ステップ202における変調器102による変調は、上側側波帯320および下側側波帯321を生成する。変調の結果、上側側波帯320および下側側波帯321の中心は、変調器周波数322から中心周波数311だけ離間する。中心周波数311は、レーザの光周波数であってよい。光周波数は無線周波数よりも桁違いに高いので、図3において周波数軸は分断される。RF中心周波数311の例は20GHzであってよく、搬送波の光周波数322の例は195THzであってよい。
Modulation by the
周波数制御103は、たとえば1546.45nm~1547.25nmなど、低光波長から高光波長まで搬送波周波数322を掃引することによって、変調信号302を時間領域にマッピング203する。要するに、これによって側波帯320、321がシフトされるとともに、搬送波322は、時間矢印303によって示すように経時的に右に向かう。1例において、掃引速度は1msあたり10MHzである。
The
ほとんどの積分器は広帯域であり変調信号302のスペクトル全体を効果的に積算するため、たとえばフォトダイオードなどの積分器105を変調および時間マッピングされた信号302に直接適用することにより、ほんのわずかな経時的変化しか生じないことに留意する。したがって、側波帯320、321および搬送波のシフトによって生じる有益な経時的変化はほとんどまたは全くない。ただし、積分器105が適用される前に、スペクトル重み104が信号に付与される。スペクトル重みは光共振であってよく、周波数応答の例は図3の304に描かれる。スペクトル重みの付与は基本的に、各周波数における周波数スペクトル302をその周波数におけるスペクトル重み304で乗算し、その後、周波数範囲全体にわたって積算することを意味する。これは、時間領域において畳み込みとも称され、周波数領域においては乗算になる。
Most integrators are broadband and effectively integrate the entire spectrum of the modulated
図3に示す変調信号302およびスペクトル重み304の相対位置において、2つの信
号間に重なりはないことが分かる。言い換えると、周波数軸上の全ての点において、信号の少なくとも1つがゼロである。その結果、2つの信号の積もまた、周波数軸全体にわたりゼロである。ゼロ信号を積算することにより、積算時間信号305における時間t1350に示されるゼロ出力が生じる。変調信号302は経時的に右へシフト303されるので、上側側波帯320は、スペクトル重み304に重なる移動を始め、上側側波帯とスペクトル重みとの積がゼロでなくなる。経時的に重なりは大きくなり、これは積算時間信号305の第1のピーク351によって示される。上側側波帯320がスペクトル重み304から外れると、搬送波322がスペクトル重み304に架かって移動し第2のピーク352をもたらすまで、積算時間信号305はゼロに後退する。同様に、スペクトル重み304に架かって移動する下側側波帯は、第3のピーク353をもたらす。
It can be seen that there is no overlap between the two signals at the relative positions of the modulated
言い換えると、スペクトルの重なりは、スペクトル重み関数304と搬送波周波数322との周波数関係として表され得る。周波数関係は、スペクトル重みが搬送波周波数322とスペクトル重み関数304との相対配置またはアライメントを定義するという意味で、スペクトル重みによって定義される。これは、たとえば固定光リング発振器によって実装されるような、固定スペクトル重み関数を備えてよい。他の例において、スペクトル重みは、たとえば光リング発振器の調整または光プロセッサの使用などによって、調整可能であってよい。調整にかかわらず、スペクトル重みは、搬送波周波数322とスペクトル重み関数304との周波数関係を定める。特定のスペクトル関係は、スペクトル重み関数が搬送波よりも著しく高い周波数にあること、搬送波より10GHz上にあること、または上側側波帯320の周波数を上回って搬送波より上にあることであってよい。周波数関係を経時的に修正することは、上述した掃引を備えてよく、上述したような重なりをもたらし得る。
In other words, the spectral overlap can be expressed as the frequency relationship between the
一例において、3つのピーク351、352、および353は、図3の積算時間信号305において示すように明確に分離される。この場合、復元モジュール106は、3つのピーク351、352、および353を極大値として検出し、上側側波帯ピーク351と搬送波ピーク352との間の時間t0354を測定することができる。この時間t0354は、上側側波帯320とスペクトル重み304との重なりと、搬送波322とスペクトル重みとの重なりとの間の時間を示す。すなわち、時間t0は、変調信号スペクトルがf0からシフトされている期間を示す。Hz/sで示す掃引速度であるシフトの速度は、周波数制御103への入力として事前設定され、または既知であるため、周波数f0は、f0=速度×t0として計算され得る。これは、スペクトル重み304が比較的広い帯域であり、ピーク351、352、および353が区別され得る限り出力のスペクトル分解能を著しく低下させることがないことを示す。
In one example, the three
しかし他の例において、3つのピーク351、352、および353は、強く重なり合うピークによって区別することが難しい。この場合、復元モジュール106は、時間信号にデコンボリューションアルゴリズムを適用してよい。ただし、信号処理における多数のプロセスは、周波数空間において乗算に変換され得る、たとえば入力信号およびフィルタ応答など2つの時間信号の畳み込みによって表されることに留意する。対照的に、ここでは畳み込みは、変調信号302とスペクトル重みスペクトル304との間の周波数空間において生じるが、出力は、時間領域積算時間信号305である。ただし、積算時間信号305の時間軸を掃引速度に従う周波数軸と置き換えることが可能である。たとえば、掃引速度が毎秒10MHzである場合、復元モジュールは、積算時間信号305の時間軸における時間値と10MHz/sとを乗算し、それらを周波数に変換し、適用可能であればオフセットを適用してよい。積算時間信号305の波形は、その後、原信号302の推定値を計算するために、決定された周波数軸を用いる周波数領域信号としてデコンボリューションアルゴリズムへ受け渡され得る。デコンボリューションは、たとえばscipy.signal.deconvolveパッケージにおけるPythonコードを実行するこ
とによって、コンピューティングシステムのプロセッサによって実行され得る。他の例において、FPGAがデコンボリューションを実行する。
However, in another example, the three
デコンボリューション結果の精度は、スペクトル重み204の実際のスペクトルまたはその近似値を用いることによって高められ得る。1つの近似は、ガウス分布であってよい。より正確な近似は、ディラックインパルスであってよい。
The accuracy of the deconvolution result can be enhanced by using the actual spectrum of
要するに、スペクトル分析システムは、光側波帯(OSB)生成、周波数時間マッピング、スペクトル重み付け、光フィールド積算、および信号復元を含む、光および電気領域の両方における5つの信号処理ステップによって実現され得る。第1に、電気光変調を介して、光源によって生成された光搬送波に入力RF信号が適用され、それによって光側波帯生成が実現される。第2に、光スペクトルにおける光側波帯情報は、周波数時間領域マッピングを介して時間領域内の波形に変換され、ここでその強度プロファイルは、光スペクトルのスケールドレプリカになる。第3に、時変波形は、たとえば光フィルタなどのスペクトル重みモジュールを通って伝送され、ここで各時間インスタンスでの出力におけるその強度は、寄与周波数成分に従って重み付けされる。第4に、たとえば光検出器または光電力計などの光フィールド積分器は、各時間インスタンスにおける正確な光強度を測定するために利用される。第5に、デコンボリューション定理に基づく信号復元モジュールは、光フィールド積分器によって測定された光強度から入力RF信号スペクトルを再構成するために用いられる。 In short, a spectral analysis system can be implemented by five signal processing steps in both the optical and electrical regions, including optical sideband (OSB) generation, frequency time mapping, spectral weighting, optical field integration, and signal restoration. First, the input RF signal is applied to the optical carrier wave generated by the light source via electro-optical modulation, thereby realizing optical sideband generation. Second, the optical sideband information in the optical spectrum is transformed into a waveform in the time domain via frequency time domain mapping, where the intensity profile becomes a scaled replica of the optical spectrum. Third, the time-varying waveform is transmitted through a spectral weighting module, such as an optical filter, where its intensity at the output at each time instance is weighted according to the contributing frequency component. Fourth, optical field integrators, such as photodetectors or wattmeters, are utilized to measure accurate light intensity at each time instance. Fifth, a signal restoration module based on the deconvolution theorem is used to reconstruct the input RF signal spectrum from the light intensity measured by the optical field integrator.
この技術のアプリケーションは以下を含む。
・走査受信機
・RFスペクトル分析
・光スペクトル分析
・フォトニック信号処理
・集積フォトニックチップ
・レーダ
Applications for this technology include:
・ Scanning receiver ・ RF spectrum analysis ・ Optical spectrum analysis ・ Photonic signal processing ・ Integrated photonic chip ・ Radar
デコンボリューションの概念を検証するために、調整可能レーザ光源403によって変調された未知のRF入力信号を光側波帯生成器402へ提供するための入力401を備える、図4に示す装置400に基づいて実験が行われた。可能な周波数測定範囲は、システム内で用いられる光側波帯生成器によって主に制限されることに留意する。電気光変調器における現在の開発状況は、100GHzを上回る変調帯域幅を提供し、これは、提案された超広帯域RFスペクトル分析を用いるシステムを容易にし得る。変調信号は、信号復元モジュール405へ信号を提供する光フィールド積分器405に接続された、スペクトル重みとして作用する単一リング共振器404へ供給される。実験において、一定の掃引速度80nm/sを有する調整可能レーザ(Keysight)403は、1546.45nmから1547.25nmまで掃引された。これは、4000点および約10msの全体掃引期間をもたらし、ここで時間領域における1マイクロ秒の時間間隔は、10MHzの周波数変化に対応する。たとえば広帯域測定が必要な光スペクトル分析など他のアプリケーションの場合、掃引範囲は更に拡大され、たとえばC+L帯域であってよい。システム400においてスペクトル重み付けを提供するための光フィルタ404は、約1.4GHzの3dB帯域幅を有する1546.85nmを中心とする単一リング共振器に基づく。フィルタの測定された光スペクトルは、図5aに示される。
To test the concept of deconvolution, it is based on the
第1に、20GHzのRF周波数を有する入力マイクロ波信号401が試験に用いられた。図5cは、実験において光電力計であった光フィールド積分器405の出力において測定された光強度波形を示す。その結果は、光パワー強度の時間領域へのマッピング、OSB生成402の効果、および光強度の重み付けを示す。信号復元モジュール406の出
力において推定されたRF信号の周波数が図5dに示される。入力信号の復元は、既存の信号デコンボリューションアルゴリズムによる逆変換によって行われる。たとえば、画像およびオーディオ処理アプリケーションに関するブラインドデコンボリューション法が復元モジュールにおいて適合され使用され得る。
First, an
測定誤差は25MHz未満であり、これは、1.4GHzのフィルタ帯域幅よりも大幅に小さい。 The measurement error is less than 25 MHz, which is significantly smaller than the filter bandwidth of 1.4 GHz.
図6aおよび図6bは、入力マイクロ波周波数が、光フィルタの3dB帯域幅よりも大幅に小さい0.5GHzまで低減された場合の測定を示す。図6aから分かるように、光電力計の出力光強度は単一ピークに向かって広がるが、RF信号の周波数は、図6bに示す新たな技術によって正確に識別され得る。 6a and 6b show measurements when the input microwave frequency is reduced to 0.5 GHz, which is significantly smaller than the 3 dB bandwidth of the optical filter. As can be seen from FIG. 6a, the output light intensity of the photopower meter spreads towards a single peak, but the frequency of the RF signal can be accurately identified by the new technique shown in FIG. 6b.
図7aおよび図7bはそれぞれ、入力RF周波数が20GHzに固定され、その電力が様々であった場合の、測定された光強度波長および推定された変調信号を示す。図示されるように、この技術は、信号の振幅および周波数の両方を十分に復元する。推定された振幅誤差はそれぞれ、0dBm、-10dBm、および-20dBmの入力RF電力において0.72、0.126、および0.06dBである。 7a and 7b show the measured light intensity wavelength and the estimated modulation signal, respectively, when the input RF frequency is fixed at 20 GHz and the power varies. As illustrated, this technique fully restores both the amplitude and frequency of the signal. The estimated amplitude errors are 0.72, 0.126, and 0.06 dB at input RF powers of 0 dBm, -10 dBm, and -20 dBm, respectively.
周波数時間マッピングモジュールおよびスペクトル重みモジュールと、光フィールド積分器および信号復元モジュールとを組み合わせることにより、高分解能での入力RF信号スペクトルの再構成が可能になり、また設計および製造の複雑性が著しく低減される。この技術は、分解能および動作帯域幅の測定を向上させ、RF測定分解能と光帯域幅との1対1の関係を打破し、マイクロ波信号の振幅および周波数情報の両方を復元し、オンチップRF周波数測定システムを可能にもする。マイクロ波周波数測定に対し提案された解決策は、光搬送波および側波帯情報が自己参照関数を提供するため、光源およびデバイスの波長ドリフトに影響されにくい。 The combination of the frequency-time mapping module and spectrum weighting module with the optical field integrator and signal restoration module allows for high resolution input RF signal spectrum reconstruction and significantly reduces design and manufacturing complexity. Will be done. This technique improves resolution and operating bandwidth measurements, breaks the one-to-one relationship between RF measurement resolution and optical bandwidth, restores both amplitude and frequency information of microwave signals, and on-chip RF. It also enables a frequency measurement system. The proposed solution for microwave frequency measurement is less susceptible to wavelength drift of light sources and devices because the optical carrier and sideband information provide a self-reference function.
上述したように、デコンボリューションは、たとえば復元モジュール106など、コンピュータシステムのプロセッサによって実行され得る。このプロセッサは、たとえばプロセッサに接続されたプログラムメモリに格納されたソフトウェアコードの命令の下、スペクトル分析器100の制御タスクも実行してよい。これらの制御タスクは、スペクトル重み関数104と搬送波周波数322との関係を経時的に修正するために、光変調器102による入力RF信号101の搬送波周波数322への変調を制御するための変調器制御信号を生成することを含んでよい。これは基本的に、復元モジュール106と周波数制御103との間に図1における他の接続が存在することを意味する。プロセッサは更に、光スペクトル重み104によって生成された修正信号を示す、感知RF信号305を経時的に受信する。その後プロセッサは、たとえば上述したようにRF信号にデコンボリューションアルゴリズムを経時的に適用することによって、RF信号に基づいて入力RF信号のスペクトルを経時的に計算する。
As mentioned above, deconvolution can be performed by the processor of the computer system, for example the restore
更なる実施形態 Further Embodiment
以下の説明は、更なる実施形態を提供する。一般に、参照番号の下2桁は対応する特徴を示し、その意味するところは、たとえば図8におけるRF信号801が、図1におけるRF信号101に対応する。
The following description provides a further embodiment. In general, the last two digits of a reference number indicate the corresponding feature, meaning that, for example, the
図8は、搬送波周波数803を変えることなくスペクトル重み関数804と搬送波周波数803との関係を修正するためにフィルタバンク804を用いる、光RFスペクトル分析のための別の方法の模式図を示す。変調光信号は、レーザ803からの対象のRF信号
801を固定波長搬送波信号に変調することによって生成される。これはその後、均等に分割され、同一ライン形状を有する狭帯域光フィルタ804のバンクへ送信される。各個々のフィルタは、一定の間隔を有する個別の周波数(f1、f2、・・・、fN)を中心とする。搬送波と個々のフィルタとの関係は、たとえば搬送波周波数を掃引することによって、上述したように経時的に変化する。図8に示すような複数のフィルタの使用は、分析に要する時間を低減させる。たとえば、4つのフィルタを用いる場合、1つのフィルタの場合の4分の1の分析時間しか要さない。
FIG. 8 shows a schematic diagram of another method for optical RF spectral analysis using the
図9は、変調信号の各分割部分がどのようにシフト後のスペクトル重みと乗算されるかを示す。変調信号の重み付きスペクトルはその後、フォトダイオード805へ送信され、ここで変調信号のスペクトル全体にわたる積算が実行される。信号復元素子806において、フォトダイオードの電力出力は縫い合わせられ、フィルタライン形状によってデコンボリューションされ、その結果、入力RF信号のリアルタイムスペクトルが得られる。
FIG. 9 shows how each split portion of the modulated signal is multiplied by the shifted spectral weights. The weighted spectrum of the modulated signal is then transmitted to the
図10は、RFスペクトル分析器を実現するためにフィルタバンク1004を用いる他の例1000を示す。レーザアレイ1003は、様々な周波数(fc1、fc2、・・・、fc2N)における複数の搬送波信号を生成するために用いられる。次に搬送波信号は、変調器1002へ注入される。RF情報は全ての搬送波信号にマッピングされ、その結果、それぞれfc1、fc2、・・・、fc2Nを中心とする、変調信号の2N個のコピーが生成される。これはその後、均等に分割され、同一線形状を有する狭帯域光フィルタ1004のバンクへ送信される。フィルタバンク1004内のフィルタの中心周波数を調整することによって、変調信号のn番目(1≦n≦N)のコピーとフィルタ位置との相対間隔はnΔfであり、各フィルタ出力は、シフト後のスペクトル重み関数と変調信号との積である。
FIG. 10 shows another example 1000 using a
図11は、レーザフィルタアレイに基づくRFスペクトル分析器のスペクトルを示す。 FIG. 11 shows the spectrum of an RF spectrum analyzer based on a laser filter array.
スペクトル重み関数間の関係もまた、調整可能光フィルタを用いることによって経時的に修正され得る。図12は、固定波長搬送波、変調器1202、調整可能光フィルタ1204、フォトダイオード1205、および信号復元素子1206を生成する、レーザ光源1203に基づく光RFスペクトル分析システム1200の模式図を示す。固定速度率を有する調整可能フィルタ1204の中心周波数を変化させることによって、光フィルタは、図13に示すように各時間インスタンス(t1、t2、・・・、tN)において別々の位置にあり、周波数範囲にわたる掃引が実現され得る。
Relationships between spectral weighting functions can also be modified over time by using adjustable optical filters. FIG. 12 shows a schematic diagram of an optical RF
図14は他の例を示す。図14に示すように、レーザアレイ1403は、固定周波数間隔(fc1、fc2、・・・、fcN)を有する複数の搬送波信号を生成する。光搬送波信号は、fc1、fc2、・・・、fcNを中心とする変調光信号1401のN個のコピーを得るために変調器1402へ注入され、その後、変調器の出力は、遅延素子(たとえば分散型遅延線)へ送信される。遅延素子によってもたらされる時間遅延は、光周波数依存性であり、これは、変調信号の各コピーが様々な時間にフィルタ1404に到着することを示す。線形遅延スロープを有する分散型素子がシステム内で光遅延線1410として用いられる場合、変調信号のn個のコピーとn+1(1≦n≦N)個のコピーとの間に一定の時間遅延がもたらされる。したがって、経時的なスペクトル重み関数とRFスペクトルとの関係は、分散素子の分散特性によって制御される。図15は、対応するスペクトルを示す。
FIG. 14 shows another example. As shown in FIG. 14, the
図16は、レーザ光源1603によって生成された搬送波信号に入力RF信号1601を直接適用するのではなく、RF信号1601が最初に周波数乗算器1610へ送信され、次に変調器1602へ送信され得る方法を示す。たとえば、周波数2倍器は、図17に
示すように入力RF周波数を2倍にしてよく、その結果、搬送波信号と側波帯との相対間隔もまた、スペクトル重みモジュールへ注入される前に光周波数領域において2倍に増加する。乗算器1610の比を変化させることによって、変調信号の側波帯は、各時間インスタンスにおいて別々の位置に割り当てられる。したがって、周波数範囲にわたる掃引が実現され得る。
FIG. 16 shows a method in which the
当業者には理解されるように、本開示の広く一般的な範囲から逸脱することなく、上述した実施形態に数々の変形例および/または修正例が生み出され得る。したがって本実施形態は、あらゆる点で限定的ではなく例示的なものとして見なされるべきである。 As will be appreciated by those skilled in the art, a number of modifications and / or modifications can be made to the embodiments described above without departing from the broad general scope of the present disclosure. Therefore, this embodiment should be regarded as exemplary rather than limiting in all respects.
Claims (22)
前記変調光信号を修正するためのスペクトル重み関数を有し、前記スペクトル重み関数と前記搬送波周波数との周波数関係を定めるスペクトル重みモジュールと、
周波数範囲にわたる掃引を実行して前記搬送波周波数および前記変調光信号を修正することによって前記スペクトル重み関数と前記搬送波周波数との前記周波数関係を経時的に修正し、修正された光信号を経時的に生成するための周波数制御モジュールと、
前記修正された光信号を経時的に感知し、前記修正された光信号に基づいてRF信号を経時的に生成するための光センサと、
前記RF信号に基づいてRFスペクトルを経時的に計算するための信号復元モジュールと
を備える光RFスペクトル分析器。 An optical modulator for modulating the input RF signal to the carrier frequency to generate a modulated light signal,
A spectrum weighting module having a spectrum weighting function for modifying the modulated optical signal and determining a frequency relationship between the spectrum weighting function and the carrier frequency, and a spectrum weighting module.
The frequency relationship between the spectral weighting function and the carrier frequency is modified over time by performing a sweep over the frequency range to modify the carrier frequency and the modulated optical signal, and the modified optical signal is modified over time. With a frequency control module to generate,
An optical sensor for sensing the modified optical signal over time and generating an RF signal based on the modified optical signal over time.
An optical RF spectrum analyzer including a signal restoration module for calculating an RF spectrum over time based on the RF signal.
前記修正された光信号を経時的に感知し、複数のRF信号を経時的に生成するための光センサのアレイと
を更に備え、
前記信号復元モジュールは、前記RF信号に基づいて前記RFスペクトルを経時的に計算する、請求項1~8のいずれか1項に記載のスペクトル分析器。 A bank of spectral weighting modules, each having a spectral weighting function for modifying the modulated optical signal, and each defining the frequency relationship between the spectral weighting function and the carrier frequency.
Further equipped with an array of optical sensors for sensing the modified optical signal over time and generating multiple RF signals over time.
The spectrum analyzer according to any one of claims 1 to 8, wherein the signal restoration module calculates the RF spectrum over time based on the RF signal.
前記入力RF信号を光搬送波周波数に変調し、変調光信号を生成することと、
スペクトル重み関数を適用するスペクトル重みモジュールを使用することによって前記変調光信号を修正することであって、前記スペクトル重みモジュールは前記スペクトル重み関数と前記光搬送波周波数との周波数関係を定める、ことと、
周波数範囲にわたる掃引を実行して前記光搬送波周波数および前記変調光信号を修正することによって前記スペクトル重み関数と前記光搬送波周波数との前記周波数関係を経時的に修正し、修正された光信号を経時的に生成することと、
前記修正された光信号を経時的に感知し、前記修正された光信号に基づいてRF信号を経時的に生成することと、
前記RF信号に基づいて前記入力RF信号のRFスペクトルを経時的に計算することとを備える方法。 A method for analyzing input RF signals,
Modulating the input RF signal to the optical carrier frequency to generate a modulated optical signal,
Modifying the modulated optical signal by using a spectral weighting module that applies a spectral weighting function, the spectral weighting module defining a frequency relationship between the spectral weighting function and the optical carrier frequency.
The frequency relationship between the spectral weighting function and the optical carrier frequency is modified over time by performing a sweep over the frequency range to modify the optical carrier frequency and the modulated optical signal, and the modified optical signal is modified over time. To generate
To detect the modified optical signal over time and generate an RF signal over time based on the modified optical signal.
A method comprising calculating the RF spectrum of the input RF signal over time based on the RF signal.
変調光信号を生成する光変調器による入力RF信号の搬送波周波数への変調を制御するための変調器制御信号を生成し、周波数範囲にわたる掃引を実行して前記搬送波周波数および前記変調光信号を修正することによって、前記変調光信号を修正するスペクトル重みモジュールによって特徴付けられるスペクトル重み関数と、前記搬送波周波数と、の周波数関係を経時的に修正することと、
前記スペクトル重みモジュールによって生成された、前記修正された信号を示す感知RF信号を経時的に受信することと、
前記感知RF信号に基づいて前記入力RF信号のRFスペクトルを経時的に計算することと
を備える方法。 A method for controlling RF signal analyzers,
Generates a modulator control signal to control the modulation of the input RF signal to the carrier frequency by the optical modulator that generates the modulated optical signal, and performs a sweep over the frequency range to modify the carrier frequency and the modulated optical signal. By doing so , the frequency relationship between the spectrum weighting function characterized by the spectrum weighting module that modifies the modulated optical signal and the carrier frequency can be modified over time.
Receiving a sensed RF signal indicating the modified signal generated by the spectral weighting module over time.
A method comprising calculating the RF spectrum of the input RF signal over time based on the sensed RF signal.
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